國內(nèi)外塑封器件聲掃試驗標準現(xiàn)狀及問題

作者： 趙海龍,裴選,彭浩,宋玉璽（中國電子科技集團公司第十三研究所） 在此特別鳴謝！

摘要：

由于結(jié)構(gòu)和材料等因素影響，塑封器件中存在一些潛在的缺陷。聲學掃描顯微鏡檢查是一種無損檢測技術(shù)，能有效識別和剔除有潛在缺陷的器件，降低使用風險。該文研究了國內(nèi)外主要的3 類聲學掃描顯微鏡檢查標準，重點研究了國內(nèi)最常用的GJB 4027A- 2006 和正在編制的GB/T 4937.35- XXXX，指出了其中存在的問題。

0 引言

塑料封裝作為主要的電子封裝形式之一，近年來隨著芯片設計業(yè)、制造業(yè)和封裝業(yè)的發(fā)展得到了快速發(fā)展。同時，因塑封料成本低、生產(chǎn)工藝簡單、適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)勢，塑料封裝占據(jù)了整個微電子封裝97%以上的市場。

但是塑封微電路器件(Plastic EncapsulatedMicrocircuits,PEM)結(jié)構(gòu)和材料特殊，常存在一些潛在缺陷，如氣密性不良、易受溫度開裂變形等，塑封器件的結(jié)構(gòu)和缺陷形式如圖1 所示。為了提高塑封器件可靠性，降低使用風險，使用前需要對其進行篩選、鑒定和DPA等試驗。

聲學掃描顯微鏡檢查技術(shù)(Scanning AcousticMicroscope,SAM, 簡稱聲掃)是一種非破壞性的試驗方法，能夠有效檢測塑封器件內(nèi)部缺陷而不損壞器件，如器件內(nèi)部空洞、裂紋及各部件之間的離層等。由于聲掃試驗可以獲得其他試驗手段不能獲得的信息而被廣泛使用，但目前國內(nèi)外的聲掃試驗標準較少，給聲掃試驗人員造成了一定的困難。本文對常用的聲掃試驗標準進行了研究，指出了其中存在的問題。

1 塑封器件SAM 標準概述

目前國內(nèi)常用的聲掃試驗標準主要有GJB 4027A-2006《軍用電子元器件破壞性物理分析方法》和GJB548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》，本單位正在編制GB/T4937.35- XXXX《半導體器件機械和氣候試驗方法第35 部分：塑封電子元器件的聲學掃描顯微鏡檢查》。國外常用的聲掃試驗標準主要有美國NASA 標準PEM- INST- 001: Instructions forPlastic Encapsulated Microcircuit(PEM)Selection, Screening, and Qualification、美國國防部標準MIL- STD883E:Microcircuits Test Method Standard、國際電工技術(shù)委員會國際標準IEC60749- 35:Semiconductordevices- Acoustic microscopy for plasticencapsulated electric components 和美國聯(lián)合產(chǎn)業(yè)標準IPC/JEDECJ-STD-035:AcousticMicroscopy for Nonhermetic Encapsulated Electronic Components。國內(nèi)外塑封器件SAM標準對照表如表1 所示。

GJB 4027A- 2006 中塑封集成電路聲學掃描顯微鏡檢查部分是2006 年修訂時新增加的，是目前國內(nèi)進行聲掃試驗依據(jù)的主要標準。其內(nèi)容與PEM-INST- 001 相對應，在其基礎上進行了修改完善。

GJB 548B- 2005 方法2030是芯片粘接的超聲檢測，主要對半導體器件芯片粘接材料中的未粘附區(qū)域和空洞提供接收或拒收依據(jù)，其內(nèi)容與MIL-STD 883E 相對應。

GB/T 4937.35- XXXX 是目前本單位正在編制的國家標準，其內(nèi)容等同采用IEC 60749- 35。此外IPC/JEDEC J- STD- 035 與IEC 60749- 35 內(nèi)容基本一致。

2 GJB 4027A- 2006

本標準工作項目1103 規(guī)定了塑封半導體集成電路的DPA 項目和程序，其中第二章第四條為聲學掃描顯微鏡檢查，內(nèi)容包括概述、設備和材料、檢查項目和缺陷判據(jù)。

2.1 檢查項目

將每一只樣品分6 個區(qū)域進行迭層分離，檢查下列包封區(qū)域的空洞和裂紋：

(1)芯片和模塑化合物的界面；

(2)引線架和模塑化合物的界面(頂視圖)；

(3)引線引出端焊板邊緣和模塑化合物的界面(頂視圖)；

(4)芯片與引線引出端焊板的粘接界面(如果存在)。這可以使用直通傳輸掃描評估；

(5)引線引出端焊板與模塑化合物的分界面(后視圖)；

(6)引線架和模塑化合物的分界面(后視圖)。

對于安裝在基片上或熱沉上的芯片，芯片粘接檢查應按照GJB548A- 1996 方法2030(芯片粘接的超聲檢查)規(guī)定進行[1]。

2.2 缺陷判據(jù)

檢查器件時，呈現(xiàn)任何下列缺陷的器件應拒收：

(1)塑封鍵合絲上的裂紋；

(2)從引線腳延伸至任一其他內(nèi)部部件(引腳，芯片，芯片粘接側(cè)翼)的內(nèi)部裂紋，其長度超過相應間距的1/2；

(3)導致表面破碎的包封上的任何裂紋；

(4)跨越鍵合絲的模塑化合物的任何空洞；

(5)塑封和芯片之間任何可測量的分層；

(6)引線引出端焊板與塑封間界面上，分層面積超過其后側(cè)區(qū)域面積的1/2；

(7)引腳從塑封完全剝離(上側(cè)或后側(cè))；

(8)包括鍵合絲區(qū)域的引腳分層；

(9)連筋頂部分層超過其長度的1/2；

(10)如果不能確認內(nèi)部裂紋或疊層分離是否應拒收，則需要將樣品剖切并拋光進行驗證[1]。

2.3 存在的問題

本標準是目前對塑封器件進行DPA、篩選試驗聲學掃描顯微鏡檢查所依據(jù)的主要標準。但在使用時發(fā)現(xiàn)本標準存在很多問題，對試驗人員造成了一定的困擾，主要問題如下：

(1)檢查項目與缺陷判據(jù)不能一一對應，如檢查項目第1 條“芯片和模塑化合物的界面”對應的缺陷判據(jù)為第5 條“塑封和芯片之間任何可測量的分層”；

(2)檢查項目中的6 個區(qū)域不能完全覆蓋10 個缺陷判據(jù)中涉及的缺陷形式，如沒有檢查項目與缺陷判據(jù)第1~4 條中提到的裂紋和空洞相匹配；

(3)檢查項目和缺陷判據(jù)中部分描述不夠準確，如“引線引出端焊板”、“連筋頂部”等指向容易讓人誤解，龍承武等人認為將檢查項目中“后視圖”改為“底視圖”、“直通傳輸掃描”改為“透射掃描”、缺陷判據(jù)中“后側(cè)”改為“下側(cè)”更為妥當[2]；

(4)檢查項目和缺陷判據(jù)的描述過于籠統(tǒng)，不同試驗人員在使用時容易造成偏差。

3 GJB 548B- 2005

3.1 標準內(nèi)容

本標準方法2030 是芯片粘接的超聲檢測，針對的是半導體器件芯片粘接材料中的未粘附區(qū)域和空洞。本標準中“芯片粘接界面”指硅芯片和粘接的基板之間的全部區(qū)域，包括芯片粘接材料和芯片之間的界面、芯片粘接材料和基板之間的界面和芯片粘接材料本身[3]。標準內(nèi)容包括試驗目的、試驗設備要求、試驗程序和其他說明。

3.2 檢驗和接收判據(jù)

在器件檢驗中，表現(xiàn)出下列缺陷的器件應被拒收：

(1)接觸區(qū)多個空洞總和超過應該具有的總接觸區(qū)的50%；

(2)超過預計接觸區(qū)15%的單個空洞，或超過總預計接觸區(qū)10%的單個拐角空洞；

(3)當用平分兩對邊方法把圖像分成四個面積相等的象限時，任一象限中的空洞超過了該象限預計的接觸區(qū)面積的70%。

當用超聲圖示器件時，對某些種類的安裝材料可能不會顯示出真正的空洞，因此檢測此類器件時，應在檢測報告中注明采用的安裝材料[3]。

3.3 存在的問題

本標準僅用于芯片粘接界面的聲掃檢查，適用面較窄。

4 GB/ T 4937.35- XXXX

4.1 標準編制情況

本標準是2016 年第一批國家標準計劃項目，標準名稱為《半導體器件機械和氣候試驗方法第35 部分：塑封電子元器件的聲學顯微鏡檢查》，計劃代號為20162477- T- 339，由中華人民共和國工業(yè)和信息化部提出，全國半導體器件標準化技術(shù)委員會(SAC/TC 78)歸口，主要承辦單位為中國電子科技集團公司第十三研究所，項目起止時間為2016 年12 月～2017 年12 月。

目前本標準已完成立項批復，編制工作組對等同采用的IEC 標準進行了翻譯、研究、分析和比較，到國內(nèi)具有聲學掃描顯微鏡檢查試驗能力的單位開展了深入調(diào)研。通過召開討論會，修改、完善標準內(nèi)容，形成了標準的征求意見稿，并編寫了編制說明。編制工作組將形成的征求意見稿及編制說明寄送給有經(jīng)驗的專家，下一步將根據(jù)書面反饋修改意見對標準進行進一步修改、完善，并召開專家征求意見會。征求意見會之后將形成送審稿依次進入審定階段和報批階段。

4.2 標準內(nèi)容

本標準為半導體器件機械和氣候試驗方法，屬于基礎標準[4]。為保證半導體器件試驗方法與國際標準一致，實現(xiàn)半導體器件檢驗方法、可靠性評價、質(zhì)量水平與國際接軌，本標準等同采用IEC 60749- 35：2006《半導體器件機械和氣候試驗方法第35 部分：塑封電子元器件的聲學顯微鏡檢查》。與IPC/JEDEC J- STD-035 相比，聲掃觀察區(qū)域增加了倒裝焊器件頂層未填充/ 模子內(nèi)區(qū)域界面，其余內(nèi)容基本一致。

本標準定義了塑封電子元器件進行聲學掃描顯微鏡檢查的程序，提供了一種使用聲學掃描顯微鏡對塑料封裝進行缺陷(分層、裂紋、模塑化合物空洞等)檢測的方法，這種方法可重復進行并且沒有破壞性。主要內(nèi)容包括范圍、術(shù)語和定義、試驗設備、試驗程序和資料性附錄部分。

本標準詳細給出了聲掃試驗所涉及的術(shù)語和定義，包括掃描模式(A 模式、B 模式、C 模式、透射模式)、觀察區(qū)(基板背面觀察區(qū)、芯片粘接層觀察區(qū)、芯片表面觀察區(qū)、引線框架觀察區(qū)(L/F)、芯片側(cè)基板觀察區(qū)、倒裝焊器件頂層未填充/ 模子內(nèi)區(qū)域)、掃描參數(shù)(焦距(FL)、焦面、傳輸時間(TOF))和兩種聲學顯微鏡(反射聲學顯微鏡、透射聲學顯微鏡)。

試驗設備部分列出了反射聲學顯微鏡系統(tǒng)和透射聲學顯微鏡系統(tǒng)的組成部分、參考件或標準件要求和樣品固定裝置要求。

試驗程序部分包括換能器選擇、設置確認、樣品放置、換能器調(diào)整、聚焦和聲掃試驗，其中聲掃試驗包括異物檢查、潛在圖像缺陷、評價和記錄。

附錄A 是一個聲掃參考樣例，列出了所有需要檢查的界面及詳細記錄試驗結(jié)果的參考模板，附錄B 給出了潛在圖像缺陷和可能的原因，附錄C 給出了聲學顯微鏡方法的一些局限及解釋，附錄D 是當前可用的掃描數(shù)據(jù)參考清單。附錄對于試驗操作人員解決試驗中遇到的實際問題有很大的指導意義。

4.3 存在的問題

本標準的側(cè)重點在于術(shù)語和定義、試驗程序以及對聲掃圖像中的異?，F(xiàn)象和聲學掃描顯微鏡的局限進行解釋，試驗程序評價部分缺少失效判據(jù)，需要用相關(guān)規(guī)范詳述的失效標準評價聲學圖像。因此，在使用本標準進行聲學掃描顯微鏡檢查時要與其他標準或規(guī)范結(jié)合使用。

5 結(jié)論

綜上所述，目前國內(nèi)外塑封器件的聲掃試驗標準主要有3 類，各有優(yōu)缺點。GJB 4027A- 2006 和PEM- INST-001 有明確的檢查項目和缺陷判據(jù)，但標準描述過于簡單，不利于試驗人員使用。GJB 548B- 2005 和MIL-STD883E 僅針對芯片粘接界面，適用范圍較窄。GB/T4937.35- XXXX(制定中)和IEC 60749- 35(或IPC/JEDECJ- STD- 035)有詳細的試驗程序說明，但缺少失效判據(jù)部分。因此，建議在進行聲學掃描顯微鏡檢查時幾類標準結(jié)合使用，下一步需要繼續(xù)完善聲掃標準體系。